F2k-laboratorio: Ääni ja sähkömagnetismi

Transkriptio

1 F2k-laboratorio: Ääni ja sähkömagnetismi Työpiste: Sähkömagneetti 1. Magneetit saavat asiat liikkumaan koskettamatta niitä. On olemassa pysyviä magneetteja (esim. jääkaappimagneetti, neodymiummagneetti) ja sähkömagneetteja. Magneetit voivat synnyttää vetäviä ja hylkiviä voimia. Sähkövirta synnyttää aina ympärilleen magneettikentän. Jos sähköjohto on kierretty kerälle ( käämi ), syntyy voimakkaampi magneettikenttä. Kytkekää naulan ympärille kääritty sähköjohto jännitelähteeseen. Jännite-säädintä ei saa säätää. Taajuuden pitää olla 0,001. Mitä tapahtuu, kun viet naulan lähelle klemmaria? 2. Kytkekää nyt jännitelähteeseen kuparilangasta tehty sähkömagneetti ja pitäkää sitä ja neodymiummagneettia lähekkäin. (Katso tabletilta Sähkömagneetti, kuva 1. bit.ly/sahkomag) Mitä tapahtuu, jos säädätte jännitelähteestä taajuudeksi esim. noin 3 Hz? Entä 10 Hz? Taajuus tarkoittaa tässä sitä, että johdoissa kulkeva virta muuttaa kulkusuuntaansa. Esimerkiksi 1 Hz (hertsi) tarkoittaa sitä, että virralla menee sekunti kulkea ensin yhteen ja sitten toiseen suuntaan. 2 Hz:n taajuus tarkoittaa, että virta kulkee sekunnissa ees-taas-eestaas. Miten virran suunnan muuttuminen vaikuttaa sähkömagneettiin? Laittakaa sähkömagneetti pöydälle suupuoli alaspäin ja neodymiummagneetti sen päälle. Mitä tapahtuu kun taajuus on muutama sata hertsiä? _ (käännä)

2 Rakensitte laitteen, joka muuttaa sähköenergiaa liikkeeksi. Miksi tätä laitetta kutsutaan? Vastaus (jos keksitte): Laitteesta syntyy myös ääntä, jota voitte säädellä virran taajuutta muuttamalla. Jos virran taajuus on esim. 440 Hz, syntyy ääniaaltoja, joiden taajuus on myös 440 Hz. Kokeilkaa löytää kuulokynnyksenne eli korkein ääni, jonka voitte vielä kuulla. Kuinka monen hertsin ääniä voit kuulla? (Kilohertsi eli khz on tuhat hertsiä) _ Noin monta värähdystä sekunnissa voit aistia omien kuuloluidesi avulla! Kääntäkää taajuus takaisin minimiin ja sammuttakaa sitten jännitelähde. 3. Katsokaa tabletista kuvat Sähkömagneetti, kuva 2 ja Sähkömagneetti, kuva 3 ja kytkekää toinen tabletti vahvistinpiiriin kuvan 2 mukaisesti. Avatkaa piiriin kytketystä tabletista ohjelma nimeltä Function Generator. Ohjelma tekee tabletista jännitelähteen, eli voitte taas tuottaa erilaisia ääniä. Tabletin synnyttämä sähkövirta on liian heikkoa, että se saisi raskaan magneetin liikkumaan. Siksi laitoimme sähkömagneetin ja tabletin väliin vahvistinpiirin, joka voimistaa sen läpi kulkevaa virtaa. Saatteko ääniä kuulumaan? Jos saatte, kokeilkaa mitä tapahtuu, jos avaattekin Function Generator ohjelman sijaan vaikka YouTuben ja laitatte suosikkibiisinne soimaan. Sähkövirtaa liikkeeksi muuttavaa laitetta kutsutaan sähkömoottoriksi. Aina kun sähkölaite liikkuu, tarvitaan sähkömoottoria. Sähkömoottorin liikkeen tahtia voidaan säädellä virran avulla vaikkapa kun halutaan saada sähköauto kiihdyttämään tai hidastamaan. Myös äänen tuottamiseen tarvitaan aina liikettä. Värähtelevä kappale synnyttää ääntä. Jos haluat kuunnella musiikkia, laitteen pitää värähdellä juuri oikean biisin tahtiin. Mikä on tällaisen laitteen nimi?

3 F2k-laboratorio: Ääni ja sähkömagnetismi Työpiste: Chladnin levy 1. Pöydällä on metallilevy, joka on kytketty moottoriin. Älkää kytketkö laitetta päälle vielä. Ainoa käytettävä säädin (vasemmanpuoleinen iso käännettävä nuppi), on merkitty sanalla Taajuus. Muita nappuloita ei käytetä. Virran taajuus vaikuttaa, montako kertaa sekunnissa tekee matkan keskeltä ylös, ihan alas ja taas keskelle. Taajuus kertoo siis, montako kertaa sekunnissa sama asia toistuu. Taajuuden yksikkö on hertsi (Hz). Koittakaa miettiä, miltä 5 Hz:n taajuinen liike voisi näyttää. 2. Laittakaa nyt jännitelähde päälle. Kokeilkaa 5 hertsin taajuutta. Näyttääkö liike siltä, miltä ajattelit? Kokeilkaa nyt 20 hertsiä. Mitä isompi taajuus on, sitä vähemmän levyllä on aikaa liikkua yhteen suuntaan ennen kääntymistä. Se tarkoittaa sitä, että mitä isompi taajuus, sen pienempää liikettä levy tekee. (Koitapa heiluttaa kättä eestaas 20 kertaa sekunnissa!) Kokeilkaa korkeampia taajuuksia. khz eli kilohertsi tarkoittaa tuhatta hertsiä, eli 3 khz = Hz. Minkä taajuiset värähtelyt voitte nähdä? Entä mitkä värähtelyt voitte tuntea sormenpäällä? Mitkä värähtelyt voitte kuulla? Levy on taipuisaa metallia ja on keskeltä ruuvilla kiinni. Kun moottori työntää levyä keskeltä ylöspäin, reunat ovat ehkä vielä menossa alaspäin! Kestää hetken, että reunat seuraavat mukana. Levyyn voikin syntyä pieniä keskeltä reunoja kohti kulkevia aaltoja! Kuva 1. Ruuvi työntää keskeltä ylös, mutta reunat ovat vielä menossa alas. Levy taipuu hetkeksi kuprulle. Kohta reunat nousevat ylös, mutta keskikohta painuu taas alas. Kuva 2. Jos levy laitetaan liikkumaan nopeammin, muodostuu yhä monimutkaisempia aaltoja, kun eri kohdat levyssä ovat eri tahdissa. Nämä aallot ovat kuitenkin niin pieniä, ettei niitä voi nähdä. ( vai voiko? Käännä paperi!)

4 3. Ehkä jo huomasitte, että jotain jännää tapahtuu, kun levy värähtelee tietyillä taajuuksilla. Tämän levyn tapauksessa näitä ns. ominaisvärähtelytaajuuksia ovat ainakin: 334 Hz 469 Hz 523 Hz 787 Hz 950 Hz Mitä huomaatte, kun levy värähtelee näillä taajuuksilla? Etsikää myös yksi uusi taajuus! _ (Ominaisvärähtelytaajuus saa edestakaisen liikkeen voimistumaan. Mieti keinussa istumista: jos keinujaa tönäistään aina juuri oikealla hetkellä, vauhti kasvaa ja kasvaa. Jos laulat sopivan nuotin, voit saada lasin särkymään: jokainen suusta tuleva ääniaalto osuu lasiin juuri oikeana hetkenä voimistaen lasin liikettä.) Ominaisvärähtelytaajuudella levyyn syntyvät aallot ovat voimakkaampia voitte kuulla sen. Aalloilla on myös tietty muoto, eli niin sanotut Chladnin kuviot. Ne voi nähdä hiekan avulla. Laittakaa levy värähtelemään ominaistaajuudella. Sirotelkaa noin ruokalusikallinen hiekkaa levyn päälle tasaisesti. Piirtäkää kohdat, joihin hiekka kertyy Kääntäkää lopuksi taajuus minimiin ja sammuttakaa vasta sitten laite. Siivotkaa työpiste täysin siistiksi pyyhkimällä paperilla kaikki hiekka levyltä ja pöydältä takaisin kippoon.

5 F2k-laboratorio: Ääni ja sähkömagnetismi Työpiste: Mikrofonin toiminta ja äänen nopeus Mikrofoni mittaa ilman paineen muutoksia, ja tämä tieto voidaan tallentaa tietokoneelle (esim. kun nauhoitetaan musiikkia) tai lähettää eteenpäin (esim. kun soitat puhelun). Tietokone voi tallentaa äänen vaikka näin: aika (sekunnin miljoonasosia) ilmanpaineen ero normaaliin + 0,216-0,059-0, ,021-0, ,327 Tällaista taulukkoa on kuitenkin hankala lukea jos mittaat sekunnin ajan ääntä, taulukossa on miljoona lukua! Katsotaan mieluummin paineen muutoksia kuvaajana. Kun lukutaulukkoon tallennetaan tietoa, tämä on nimeltään tiedosto (file). Tieto voidaan kaiuttimella muuttaa taas ääneksi: voit vaikka kuunnella musiikkitiedostoa puhelimeltasi. Avatkaa tietokoneen työpöydältä (home screen) ohjelma nimeltä Mikrofonin testaus. Jos tietokone kysyy jotain, valitkaa "Erase and continue" tai "Switch to running application". Tutkikaa erilaisia ääniä. Mikrofoni alkaa nauhoittaa, kun klikkaatte vihreää Collectnappulaa, ja se nauhoittaa yhden sekunnin ajan ja näyttää sitten teille kuvaajan. Miten kovempien ja hiljaisempien äänten kuvaajat eroavat toisistaan? _ Entä korkeampien tai matalampien? _

6 Voitte kokeilla myös koittaa viheltää mahdollisimman kaunista, tasaista nuottia. Miltä sen kuvaaja näyttää? Voit myös hymistä nuottia suuta avaamatta, mikrofoni kurkkua vasten. _ Sammuttakaa ikkuna, älkää tallentako mitään tietoja. Avatkaa nyt ohjelma nimeltä Äänen nopeus. Nyt mikrofoni toimii vähän eri tavalla: kun painatte Collect -nappulaa, mikrofoni odottaa aktivoitumista. Se aktivoituu vasta kuullessaan kyllin kovan äänen, ja mittaa vain 50 millisekunnin ajan (eli 0,05 sekuntia). Miten nopeus lasketaan? Mietitään ensin selkeää esimerkkiä. Jos juoksijalla menee 12 sekuntia juosta 87 metriä, mikä on juoksijan nopeus? Puhelimen laskinta saa käyttää. Nopeus on siis kuljettu matka jaettuna matkaan käytetyllä ajalla. Meidän pitää saada ääni kulkemaan jokin matka ja mitata, kauanko matkassa kesti. Ottakaa pitkä putki, laittakaa mikrofoni putken suulle ja tehkää mahdollisimman voimakas sormiennapsautus mikrofonin vieressä. Kuka on paras napsauttamaan sormia? Nauhoittakaa syntynyt ääni. Mitä näette kuvaajassa? (Jos ette keksi, mitatkaa uudestaan.) _ Ensimmäiseen kaikuun kuluva aika on millisekuntia. Kun jaetaan edellinen luku tuhannella, saadaan sekuntia. Miettikää tarkkaan: äänen kulkema matka on metriä. (Mittanauha) Äänen nopeus on siis: metriä sekunnissa. Sammuttakaa ohjelma (ruksi oikeassa yläkulmassa, ei tarvitse tallentaa) ja jättäkää työpiste siistiksi.